基于高导复合阳极材料（SDD—CF）的燃煤电厂湿烟气深度净化装置研发与应用

胡文森 董志国 王锡胜

摘 要：文章針对燃煤电厂湿烟气粉尘治理采用湿式静电电除尘器（WESP）后出现的问题现状，重点阐述了以研发新型阳极材料为突破口，利用玻璃钢（FRP）材料的特性，采用特殊工艺配方研制出了高导复合材料SDD-CF，为满足阳极材料特殊需要，对材料表面进行纳米工艺处理，成功研制了基于高导复合阳极新材料SDD-CF的湿式静电电除尘器，重点解决了湿烟气除尘设备中设备易腐蚀、防腐困难、设备寿命短问题，并利用高导复合阳极材料SDD-CF的特殊性，对湿式电除尘器整体结构进行优化，解决了湿烟气逃逸、电场中存在烟气走廊、存在电晕盲区以及湿式电除尘冲洗水量大、产生二次废水等诸多问题。该成果成功应用配套某电厂#1、#2机组2014年湿式电除尘技术改造工程，该项工程在当年建成投产并通过环保验收。该项目投产后运行稳定，节能、环保和社会效益明显。该成果于2017年8月17日通过中国电机工程协会成果鉴定，总体达到国际先进水平，其中，在新型阳极材料的研发与应用方面居国际领先水平。该项目在2018年被国家能源集团评为科技创新一等奖。截止目前，该成果在国内外已成功应用100多台（套），为我国燃煤电厂烟气尾部粉尘综合治理提供了新的工艺和技术路线。

关键词：高导复合材料；阳极；湿烟气；烟尘治理

中图分类号：X773 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）16-0004-04

Abstract： In view of the the problems caused by the treatment of wet flue gas dust in coal-fired power plants by using the wet electrostatic precipitator （WESP）， the characteristics of using the FRP material as the breakthrough point and using the new type of anode material as the breakthrough point are expounded in this paper. In order to meet the special needs of anode materials， the high conductivity composite material SDD-CF was developed using special process formula. A wet electrostatic precipitator based on SDD-CF， a new high conductivity composite anode material， was successfully developed. The problems of easy corrosion， difficult anticorrosion and short life of wet flue gas dust remover are solved， and the whole structure of wet electrostatic precipitator is optimized by using the particularity of high conductivity composite anode material SDD-CF. Many problems have been solved， such as escape of wet flue gas， the existence of flue gas corridor in electric field， the existence of corona blind area， the large amount of water washed by wet electric precipitator and the production of secondary wastewater and so on. This result has been successfully applied to a certain power plant's #1 and #2 units in 2014 wet electric dust removal technology transformation project， the project was completed and put into production in that year and passed environmental acceptance. After the project was put into operation， the operation is stable， energy saving， environmental protection and social benefits are obvious. The achievement， as appraised by the China Electrical Engineering Association on August 17， 2017， has reached the international advanced level， among which， it is the international leader in the research and development and application of new anode materials. The project was awarded the first prize for scientific and technological innovation by the State Energy Group in 2018.

Keywords： high conductivity composite material； anode； wet flue gas； soot treatment

引言

在人们生活水平的不断提升下，对电力使用需求也越来越高，直接增加了电厂的运行负担。燃煤电厂作为发电厂的重要组成部分之一，应不断提高其发电效率，为人们提供更优质的电力能源。燃煤电厂在生产发电的过程中，需要消耗大量的煤炭资源，而煤炭资源在燃烧的过程中会产生大量有毒有害污染气体和粉尘颗粒，如果直接将其排放到大气中，将会对环境构成极大的威胁。在环保理念下，燃煤电厂应做好相关的环保工作，在燃煤发电过程中通过有效地处理装置降低污染气体的排放量。

2011年环保部发布了GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》，在06版环保标准基础上对火电厂大气污染物排放进行了更加严格的限制。2012年环保部又发布了GB3095-2012《环境空气质量标准》，将PM2.5（细颗粒物）写入国标，并纳入各省市强制监测范畴。为满足新环保标准要求，从2013年起，某电厂结合自身实际，通过广泛的调研研究工作，把寻求大气治理、尤其是粉尘治理方面的突破做为企业大气污染治理工作的重点工作。2014年，某电厂利用高导复合阳极材料在湿式除尘技术的这一新产品技术在湿式电除尘器中的应用，通过对#1、#2机组脱硫系统尾部烟道增加湿式电除尘装置的技术改造，实现大幅度降低粉尘排放，同步减少“石膏雨”和SO3排放。

1 火电厂湿式电除尘器中阳极的应用现状

阳极是湿式电除尘器设备的核心部件，其主要作用是作为设备内部阳极导电级，需要满足燃煤电厂烟气的腐蚀性条件，并具有良好的导电性能。国内外湿式电除尘器一般采用价格昂贵的合金钢材质，但由于没有彻底解决耐腐蚀问题，运行过程中不可避免的带来二次污染和运行成本高等问题。

同时国内外湿式电除尘器中阳极材料多采用为金属极板，或者柔性阳极板的湿式电除尘器，需配套用于保护金属极板不受腐蚀的喷淋系统，喷淋系统在运行过程中不但消耗大量的碱和水，而且产生了新的废水，由此需再配套建设一套新的废水处理装置，整套装置存在配置复杂，设备易腐蚀、防腐困难、设备寿命短等问题，也存在除尘中湿烟气逃逸、电场中存在烟气走廊、电晕盲区以及解决湿式电除尘冲洗水量大、产生二次废水等诸多问题。

2 复合阳极新材料在湿式电除尘器的研发

某电厂根据自身设备特点和燃煤特性，在#1、#2机组湿式除尘改造工程中对湿式电除尘器阳极进行了重新设计，设计改造为蜂窝式的模块化导电玻璃钢阳极。玻璃钢又称玻璃纤维增强塑料（又称FRP），是以玻璃纤维及其制品（如玻璃布、带、毡、纱等）做为增强材料，以合成树脂做为基体材料的一种用途广泛的复合材料。其硬度相当于钢材，又含有玻璃组分，具有玻璃样的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘、隔热等性能。

玻璃钢是一种设计自由度大，节能型、使用适应性广、无需维修且寿命长、开发前景大的材料品种，其同时具有重量轻、比强度高、耐腐蚀、电绝缘性能好、传热慢、热绝缘性好、耐瞬时超高温性能好等特性。

根据脱硫后烟气的介质条件，选用玻璃钢树脂为环氧乙烯基树脂，其突出特点是在低压常温下易固化，通过固化剂和催化剂的加入可使得树脂在较大范围内变性，使树脂获得不同的用途。导电玻璃钢（FRP）的耐腐性主要取决于树脂的性能，其腐蚀机理主要包括：（1）化学腐蚀作用，从化学角度上分析，树脂中含有特定的基团，而这些基团将会在碱性、酸性环境中并与腐蚀介质发生一系列的化学反应，在这个过程中物质中的大分子断裂，从而对结构造成一定的破坏。（2）物理作用，主要是所产生的物理特性，主要会产生膨胀、增塑等现象，并会逐渐溶解，从而造成FRP出现脱皮、鼓泡等物理现象，甚至是造成强度失效。总的来说，FRP设备的材料结构主要由防腐层、防渗层、结构层、外表层由里向外的几个结构层所组成。该设备所采用的复合结构可以有效形成腐蚀防渗阻挡层，而所产生的负荷则主要结构层来承担，结构层的材质主要由含量高的玻璃纤维所组成。其中，与介质接触的最内层是富树脂层，由表面毡增强耐腐蚀树脂组成，树脂含量在90%以上；中间层是结构层，由短切毡与纤维组织物重复交替铺层得到，树脂含量在45%左右，厚度由强度设计计算决定；最外层也是富树脂防腐层，并且一般加有抗老化剂，抗紫外线以防大气腐蚀及老化，其树脂含量在90%以上。

从以上数据可以看出，玻璃钢材料的耐腐蚀性能與腐蚀因子的浓度和温度等有关。湿式电除尘器内腐蚀介质为烟气中携带的脱硫浆液，其中含有硫酸、亚硫酸、氯离子、氟离子等。

从以上数据可以看出，环氧乙烯基树脂玻璃钢具有优异的耐酸碱腐蚀性能。燃煤锅炉脱硫后烟气一般为弱酸性介质条件，完全适应环氧乙烯基树脂玻璃钢的耐酸碱腐蚀参数。同时，其耐腐蚀性能明显优于316L、2205、2507、1.4529等金属材料。

导电玻璃钢材料利用了以上玻璃钢材料的耐腐蚀性能，同时由于单一的玻璃钢材料不具有导电性，研究应用了以玻璃钢材料为基体，添加增强材料、高碳纤维等功能材料加工而成的复合材料（SDD-CF）。经过试验，探索出最优树脂改良特性和组成配比方案，在保证高阻燃性氧指数达到32的条件下，该种复合材料体积电阻率在100Ω·cm以下，使材料特性接近于导体指标，具有与金属相似的导电性能。

3 高导复合阳极新材料在湿式电除尘器的应用

3.1 解决湿式电除尘器过流部件防腐问题

湿式电除尘器阳极采用了耐腐蚀性能更好的导电玻璃钢材料，材料本身已经具备了燃煤机组运行工况下的湿烟气运行要求。从成本上来看，新型材料的应用，一方面解决了金属湿式电除尘器采用钢衬鳞片或高级合金材质价格昂贵的问题；另一方面解决了金属湿式电除尘器壳体鳞片或合金钢热膨胀系数差异大，运行过程中易产生裂纹或脱层情况而出现的设备腐蚀，从而首次系统解决了湿式电除尘器的防腐问题。

3.2 解决湿式电除尘器内部结垢问题

通过湿式电除尘器高导复合阳极新材料的应用，解决了湿式电除尘器连续喷淋用水无法实现的难题。由于湿式电除尘器收集的浆液中含有石膏成分，粘结性较强，因此，不论金属还是其它非金属电除尘器都需要设置间歇性的冲洗装置用于设备内部的清洗。而为减少湿式电除尘器的间歇冲洗水量，就要以防结垢为突破口进行研究。一般来说，通过湿式电除尘器收集下来的主要有粉尘、液滴、石膏浆液等，这些成分在重力作用下会被收集到湿式电除尘器底部排出，但由于收集物的粘结性，会造成阳极管壁有粘结，长时间粘结就会造成结垢。玻璃钢材料级管表面进行了纳米处理，其本身疏水性能优于金属或柔性电极，通过新型材料的应用，提高了疏水性，防止了结垢的产生。

3.3 实现高效喷淋的应用，耗水量大幅减少，有效节约运行成本，解决湿式电除尘二次水污染问题

基于高导复合阳极新材料在湿式电除尘器中应用后对疏水性能的提高，调整了高通量喷淋的分区冲洗方案。通过短时间高通量的分区冲洗，提高一定时间内冲洗水的强度，从而显著减少了每次冲洗的时间，减少了冲洗水量和二次污染的产生。它具有以下特点：

保持稳定水平衡，耗水量大幅减少。阳极管定期24h～48h冲洗一次，每次每个分区喷淋3～5分钟，改变以往金属湿式电除尘器使用碱性连续水膜的现状。湿式电除尘器收集下来的浆液中不再含有碱性添加剂，浆液成分全部为来自脱硫塔的浆液和粉尘颗粒，可以直接返回脱硫塔回用，不再外排处理，喷淋水可以作为脱硫岛补充水，不再造成系统水平衡破坏，节约了大量的脱硫工艺水，有效的降低了环保设备的运行成本。

杜绝了二次污染。在运行过程中不需要喷淋水和碱液，收集下来的液体仅含烟气中固体颗粒物、气溶胶等污染物，该液体返回脱硫岛中不会产生新的污染。操作简便、运行免维护、运行成本低。主体设备免维护，运行中仅消耗维持场强所需电量，不需要喷淋水和碱液，收集下来的液体仅含烟气中固体颗粒物、气溶自动回流至脱硫系统。

3.4 设备结构紧凑，布置灵活

阳极采用蜂窝六边型模块化结构，整体一次模压成型，结构强度高，占地面积小。烟气流向可以根据现场实际情况，采用上进下出或下进上出等各种形式，流场阻力小，安装方便，施工周期短，建设价格更低等鲜明特点。

3.5 有效消除大白烟及石膏雨

大白烟主要是由烟囱中携带的水汽造成的。这些水汽的主要形成原因是脱硫过程中形成的液滴颗粒在脱硫塔的机械式除雾器中没有脱除干净，进而在离开烟囱后呈现出白烟。石膏雨形成主要原因是烟气中脱硫浆液在脱硫塔除雾器未处理干净，带出烟囱后气速降低进而就近飘落造成。

某厂针对大型燃煤电厂粉尘治理与探索，利用高导复合阳极新材料在湿式电除尘器中的研发与应用，通过2014年配套#1、#2机组湿式电除尘技术改造工程，改善了尾气烟囱的外观，提高了企业烟粉尘中的去除效率。

4 技术经济性对比分析

基于高导复合材料SDD-CF静电湿式除尘器，整体性能优于采用柔性电极和金属电极的湿式除尘器，表3为各项主要指标对比表。

5 社会环境效益

通过高导复合材料阳极在湿式电除尘器中的成功应用，对满足国家今后更严格的环保排放要求，特别是对杜绝石膏雨现象，降低粉尘浓度，减少滴液排放，具有特别重要的意义。

该技术的成功应用解决了大烟气量烟气均流、阳极管易腐蚀、柔性电极可靠性差、废水量大且难处理、运行成本高等诸多问题。该技术成果成功实现投运后，先后在范坪电厂、国电泰州电厂等100多台国内不同容量大型燃煤电厂正式投入使用。截至目前，设备运行稳定，烟粉尘排放均达到超低排放标准要求，且在成功后在行业内普遍得到认可，得到广泛推广使用，取得了巨大的环保效益和社会效益。

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